Японский институт высоких энергий KEK и его ускорители.

Введение

Японская организация по физике высоких энергий

Высокоэнергетическая ускорительная исследовательская организация (高エネルギー加速器研究機構), известная как KEK, – японская организация, целью которой является эксплуатация крупнейшей лаборатории физики частиц в Японии, расположенной в Цукубе, префектура Ибараки. Она была основана в 1997 году. Термин "KEK" также используется для обозначения самой лаборатории, в которой работает около 695 сотрудников. Основная функция KEK – предоставление ускорителей частиц и другой инфраструктуры, необходимой для физики высоких энергий, материаловедения, структурной биологии, радиационной науки, вычислительной науки, ядерной трансмутации и других областей. На базе KEK было построено множество экспериментов, реализованных в рамках как внутренних, так и международных коллабораций. Макото Кобаяси, заслуженный профессор KEK, известен во всем мире своими работами по нарушению CP-инвариантности и был удостоен Нобелевской премии по физике в 2008 году.

Текущий комплекс

SuperKEKB: электронно-позитронный коллайдер и модернизация KEKB. Состоит из двух колец хранения: кольца хранения электронов с энергией 7 ГэВ и кольца хранения позитронов с энергией 4 ГэВ. Длина окружности составляет около 3,016 км. Будет генерироваться большое количество B-мезонов и анти-B-мезонов, предоставляющих данные для эксперимента Belle II. Фотоновый завод (PF): кольцо хранения электронов используется для экспериментов с синхротронным излучением. Длина окружности составляет около 187 м. Энергия электронного пучка составляет 2,5 ГэВ. Усовершенствованное кольцо Фотонового завода (PF AR): кольцо хранения электронов используется для экспериментов с синхротронным излучением. Этот ускоритель генерирует высокоинтенсивный и импульсный рентгеновский луч с электронным пучком 6,5 ГэВ. Длина окружности составляет около 377 м. Ранее это кольцо использовалось в качестве бустерного синхротрона для электронно-позитронного коллайдера TRISTAN и первоначально называлось кольцом накопления TRISTAN (AR). KEK e+/e Линак: комплекс линейных ускорителей, используемый для инжекции электронов с энергией 8,0 ГэВ и позитронов с энергией 3,5 ГэВ в KEKB. Линак также обеспечивает электроны с энергией 2,5 ГэВ для PF и электроны с энергией 6,5 ГэВ для PF AR. В последние годы линак был модернизирован для SuperKEKB. Ускорительный испытательный стенд (ATF): испытательный ускоритель, предназначенный для создания пучка со сверхнизкой эмиттансностью. Это одна из ключевых технологий для реализации будущего электронно-позитронного линейного коллайдера. Энергия электронного пучка при нормальной работе составляет 1,28 ГэВ. Испытательный стенд сверхпроводящих радиочастотных резонаторов (STF): испытательный стенд для создания и эксплуатации испытательного линака с высокоградиентными сверхпроводящими резонаторами, являющийся прототипом основных линаковых систем для Международного линейного коллайдера (ILC). Японский комплекс ускорителей протонов (J-PARC): комплекс ускорителей протонов, состоящий в основном из линака на 600 МэВ, синхротрона на 3 ГэВ и синхротрона на 50 ГэВ. J-PARC был построен в сотрудничестве между KEK и JAEA и используется для ядерной физики, физики частиц, науки о мюонах, нейтронной науки, систем с ускорением частиц (ADS) и широкого спектра других приложений. Цифровой ускоритель KEK (KEK DA) – это модернизация бустерного протонового синхротрона KEK на 500 МэВ, который был остановлен в 2006 году. Существующие 40-МэВ дрейфовые трубки линака и радиочастотные резонаторы были заменены на источник ионов электронного циклотронного резонанса (ECR), встроенный в 200-кВ высоковольтный терминал, и индукционные ускоряющие ячейки соответственно. В принципе, KEK DA способен ускорять любые виды ионов во всех возможных степенях заряда.

SuperKEKB: A electron positron collider and upgrade to KEKB. With two storage rings: a 7 GeV electron storage ring and a 4 GeV positron storage ring. The circumferential length is about 3.016 km. Large quantities of B mesons and anti B mesons will be generated providing data for the Belle II experiment. Photon Factory (PF): A electron storage ring is used for synchrotron light experiments. The circumferential length is about 187 m. The energy of the electron beam is 2.5 GeV. Photon Factory Advanced Ring (PF AR): An electron storage ring is used for synchrotron light experiments. This accelerator generates high intensity and pulsed X ray with the electron beam of 6.5 GeV. The circumferential length is about 377 m. This ring used to be operated as a booster synchrotron for TRISTAN, electron positron collider, and called TRISTAN Accumulation Ring (AR) originally. KEK e+/e Linac: A linear accelerator complex used to inject 8.0 GeV electrons and 3.5 GeV positrons to KEKB. The linac also provides 2.5 GeV electrons for PF and 6.5 GeV electrons for PF AR. The Linac has in recent years been upgraded for SuperKEKB. Accelerator Test Facility (ATF): A test accelerator is focused on generating a super low emittance beam. This is one of the essential techniques for realizing a future electron positron linear collider. The beam energy of electrons is 1.28 GeV in normal operation. Superconducting RF Test Facility (STF): A test facility to build and operate a test linac with high gradient superconducting cavities, as a prototype of the main linac systems for International Linear Collider (ILC). Japan Proton Accelerator Research Complex (J PARC): A proton accelerator complex consisting primarily of a 600 MeV linac, a 3 GeV synchrotron and 50 GeV synchrotron. J PARC was built with a collaboration between KEK and JAEA, and is used for nuclear physics, particle physics, muon science, neutron science, Accelerator Driven System (ADS) and a range of other applications. KEK digital accelerator (KEK DA) is a renovation of the KEK 500 MeV booster proton synchrotron, which was shut down in 2006. The existing 40 MeV drift tube linac and rf cavities have been replaced by an electron cyclotron resonance (ECR) ion source embedded in a 200 kV high voltage terminal and induction acceleration cells, respectively. A DA is, in principle, capable of accelerating any species of ion in all possible charge states.

Комплекс отключения

Протонный синхротрон (PS): ускорительный комплекс для ускорения протонов до 12 ГэВ. PS состоял в основном из предварительного ускорителя на 750 кэВ, линака на 40 МэВ, бустерного синхротрона на 500 МэВ и основного кольца на 12 ГэВ. PS использовался для исследований в области ядерной и физики частиц. PS также обеспечивал протонный пучок на 12 ГэВ для линии пучка нейтрино в KEK, предназначенной для эксперимента KEK – Камиока (K2K). PS достиг своей проектной энергии в 8 ГэВ в 1976 году. PS был выведен из эксплуатации в 2007 году. Линия пучка нейтрино: линия пучка для направления нейтрино в Супер-Камиоканде, расположенный на расстоянии около 250 км от KEK, и эксперимент по исследованию колебаний нейтрино под названием K2K проводился с 1999 по 2004 год. Эксперимент по исследованию колебаний нейтрино под названием Tokai to Kamioka (T2K) проводится с использованием J-PARC с 2009 года. Транспортируемое кольцевое пересекающееся хранилище ускорителей в Японии (TRISTAN): электронно-позитронный коллайдер, который работал с 1987 по 1995 год. Основной целью было обнаружение топ-кварка. Энергия электронов и позитронов составляла 30 ГэВ. TRISTAN был оснащен тремя детекторами: TOPAZ, VENUS и AMY. KEKB был построен с использованием туннеля TRISTAN.

Действующие и будущие планы

SuperKEKB: электронно-позитронный коллайдер, состоящий из кольца хранения электронов с энергией 7 ГэВ и кольца хранения позитронов с энергией 4 ГэВ, предназначенный для достижения более высокой светимости за счет увеличения тока пучка, фокусировки пучков в точке взаимодействия и минимизации электромагнитного взаимодействия пучков. Целевая светимость установлена на уровне 8×1035 см−2 с−1, что примерно в 60 раз превышает первоначальное проектное значение KEKB. SuperKEKB использует нано-лучевую схему. KEK построит новое демпферное кольцо для генерации позитронного пучка наноразмерного масштаба. В октябре 2010 года правительство Японии официально одобрило проект SuperKEKB, а в июне 2010 года был выделен первоначальный бюджет в размере 100 миллионов долларов США (¥100 = $1) в рамках Программы поддержки передовых исследований на 2010–2012 годы. Общий бюджет программы составляет около 315 миллионов долларов США (¥100 = $1). Модернизация будет завершена, и первые столкновения состоялись в 2018 году. Максимальная светимость будет достигнута в 2021 году. Эксперимент Belle II будет проводиться с использованием SuperKEKB. Compact Energy Recovery Linac (cERL): испытательный ускоритель для будущего синхротронного источника света под названием Energy Recovery Linac (ERL). cERL будет изучать неопределенности в физике ускорителей ERL посредством экспериментов с пучком. Ввод в эксплуатацию пучка в cERL запланирован на 2013 год с использованием 35-мегаэлектронвольт (МэВ) электронного пучка. KEK планирует построить 5-гигаэлектронвольт (ГэВ) ERL, обеспечивающий сверхвысокую яркость и сверхкороткие импульсы синхротронного излучения после экспериментов cERL. Международный линейный коллайдер (ILC): будущий электронно-позитронный линейный коллайдер, состоящий из сверхпроводящих резонаторов общей длиной около 31 километра и двух демпферных колец для электронов и позитронов с окружностью 6,7 километра. Энергия электронов и позитронов составит до 500 ГэВ с возможностью повышения до 1 ТэВ. В проекте ILC участвуют почти 300 лабораторий и университетов по всему миру: более 700 человек работают над проектированием ускорителя, а еще 900 – над разработкой детекторов. Координация работы по проектированию ускорителя осуществляется Глобальной проектной группой, а работы по физике и детекторам – Всемирным исследовательским проектом.

SuperKEKB: An electron positron collider, consisting of a 7 GeV electron storage ring and a 4 GeV positron storage ring, to achieve higher luminosity by means of increasing the beam current, focusing the beams at the interaction point and making the electromagnetic beam beam interactions small. The target luminosity has been set to 8×1035 cm−2 s−1, about 60 times higher than the KEKB's original design value. SuperKEKB has adopted a nano beam scheme. KEK will build a new damping ring in order to generate the nano scale positron beam. On October, 2010 the Japanese government formally approved the SuperKEKB project, and on June, 2010 an initial budget of 100 million dollars (¥100 = $1) for a Very Advanced Research Support Program was assigned for 2010 2012. The total budget is about 315 million dollars (¥100 = $1) by the program. The upgrade will be completed, and the first collisions have been conducted in 2018. The highest luminosity will be achieved in 2021. Belle II experiment will be conducted using SuperKEKB. Compact Energy Recovery Linac (cERL): A test accelerator for a future synchrotron light source named Energy Recovery Linac (ERL). cERL will study the uncertainty of the accelerator physics in the ERL through the beam experiments. The beam commissioning in cERL will be scheduled from 2013 with a 35 MeV electron beam. KEK has a plan that will build 5 GeV ERL, provides ultra high brightness and ultra short pulsed synchrotron light, after the cERL experiments. International Linear Collider (ILC): A future electron positron linear collider consisting of superconducting cavities with a length of approximately 31 kilometers in length and two damping rings, for electrons and positrons, with a circumference of 6.7 kilometers. The electron and positron energy will be up to 500 GeV with an option to upgrade to 1 TeV. Nearly 300 laboratories and universities around the world are involved in the ILC: more than 700 people are working on the accelerator design, and another 900 people on detector development. The accelerator design work is coordinated by the Global Design Effort, and the physics and detector work by the World Wide Study.

Компьютеры

В КЭК имеются компьютеры, являющиеся самыми быстрыми в Японии, а Центр компьютерных исследований КЭК управляет этими компьютерными системами. Теоретическая производительность суперкомпьютера SR16000 производства компании HITACHI составляет 46 TFLOPS. Теоретическая производительность суперкомпьютера Blue Gene Solution производства IBM составляет 57,3 TFLOPS. Эти суперкомпьютеры в основном использовались для изучения квантовой хромодинамики и численной физики ускорителей, и они были выведены из эксплуатации в связи с планируемым внедрением нового суперкомпьютера в будущем. Центр компьютерных исследований также управляет другими компьютерными системами: KEKCC, компьютерной системой B-фабрики и компьютерной системой синхротронного излучения. 30 сентября 1992 года в КЭК был создан первый веб-сайт в Японии, который до сих пор доступен для просмотра.